Graduação Tecnológica em Redes de ... · permitindo a comunicação de 2 sistemas através de uma única fibra, sendo que um sistema utilizava a 2ª janela de propagação, de

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Graduação Tecnológica em Redes de Computadores

Infraestrutura de Redes de Computadores

Euber Chaia Cotta e [email protected]


Graduação Tecnológica em Redes de Computadores

Unidade VIII - Conceitos

Euber Chaia Cotta e [email protected]


Banda Passante x Velocidade de Transmissão

• A finalidade do cabeamento estruturado é fornecer uma via segura e adequada (com parâmetros elétricos e/ou ópticos suficientes para atender a velocidade e a quantidade de informações) para os sinais das diversas aplicações usuárias do cabeamento.

• Parâmetros fundamentais nos cabeamentos:➔ Atenuação: perda de potência do sinal;➔ Banda passante: frequências mínima e máxima do sinal.


Largura de Banda (BW) de um sinal

• A banda passante de um sinal é é definida pela largura do intervalo que contem todas as frequências do sinal. Seguem (1, 2 e 3) alguns exemplos:

1) Largura de banda de um sinal formado por duas senoides

O sinal abaixo é formado pelas senoides com frequências de 20 MHz (fundamental) e 60 MHz (3º harmônico). A largura de banda deste sinal será de BW = 60 – 20 = 40MHz.



• A voz humana, apresenta componentes de frequências entre 15 e 15.000 Hz e o ouvido humano distingui frequências entre 20 Hz e 20KHz aproximadamente.

2) Largura de banda do sinal de voz utilizado em telefonia

Por fatores econômicos na telefonia só são transmitidos as componentes frequências entre 300 e 3400 Hz, portanto a largura de banda do sinal de áudio na telefonia é:

BW = 3400 – 300 = 3100 Hz ou 3,1KHz.



• Um canal de TV deve transmitir sinal de áudio e sinal de vídeo. O sinal de vídeo ocupa uma banda de 5,25MHz, o sinal de áudio ocupa 0,05 MHz.

3) Largura de banda do sinal de um canal de TV analógico

Considerando a necessidade de bandas de guarda, espaçamento das frequências entre canais e entre sinais de vídeo e áudio, um canal de TV apresenta uma banda de 6MHz (5,25 do vídeo, 0,05 MHz do áudio e 0,70 MHz distribuído entre as bandas de guarda).


Banda passante xLargura de banda

• Banda passante (W) do sinal:

Intervalo de frequências que compõem este sinal

Ex. : a voz humana vai de 15 Hz até 15 KHz

● Largura de banda (BW) passante do sinal:

É o tamanho da banda passante do sinal, ou seja, a diferença entre a maior e a menor frequência

Ex.: a largura de banda da voz humana é 15.000 Hz – 15 Hz = 14.985 Hz


Taxa de transferência• Taxas de transmissão:➔ Bps: bits por segundo. 1 baud = log2L bps;

➔ Bauds: número de intervalos de sinalização por segundo.

● Teorema de Nyquist:➔ C = 2W log2L bps;

➔ Capacidade máxima de um canal sem ruído algum, dada a sua banda passante.

● Lei de Shannon:➔ C = W log2(1+S/N) bps;

➔ Capacidade máxima de um canal com ruído térmico, dada a sua banda passante.

C = capacidade; W = largura de banda; S = potência do sinal;

N = potência do ruído; L = nº de níveis usado na codificação.


Taxa de transferência• Teorema de Nyquist:➔ Aplicando o Teorema de Nyquist para as larguras de banda: 3.100Hz,

4.000Hz e 5.300Hz com as respectivas quantidades de níveis: 4, 2 e 3.

➔ Para W = 3.100Hz e L = 4 temos:

2x3.100 log24 = 6.200 log24 = 6.200 x 2 = 12.400 bits/s


2x4.000 log22 = 8.000 log22 = 8.000 x 1 = 8.000 bits/s


2x5.300 log23 = 10.600 log23= 10.600 x 1,58 = 16.748 bits/s


Taxa de transferência

• Lei de Shannon:➔ Exemplo: Sabendo que uma linha telefônica comum possui

uma largura de banda de 3.000 Hz e que o sinal/ruído é de 1.000, qual é a taxa de dados máxima que podemos conseguir transmitindo dados pela linha telefônica?

➔ Resposta:

C = 3.000×log (1+1.000) →₂ C=3000* (log101001/log102)

C = 29.901,678776508 = ~30.000 bps


Taxa de transferência• Lei de Shannon:➔ Porém, nem sempre a razão sinal ruído é dada em valores,

por isso devemos saber o cálculo para transformação de dB em razão sinal/ruído:

➔ 10 *log10(S/N)➔ S/N - Razão sinal-ruído➔ Logb(x) = e => x = be

• Exemplos: ➔ um sinal/ruído de 10, corresponde a 10 db➔ um sinal/ruído de 100, corresponde a 20 db


Taxa de transferência

• Lei de Shannon:➔ Exemplo: Sabendo que uma linha telefônica comum possui

uma largura de banda de 3.000 Hz e que a razão entre o sinal e o ruído é de 30dB, qual é a taxa de dados máxima que podemos conseguir transmitindo dados pela linha telefônica?

➔ Resposta:

30dB=10 log10(S/N) → 3dB= log10(S/N);

10^log10(S/N) = 10^3 então S/N=1000;

C = 3.000×log (1+1.000) → ₂ C=3000* (log101001/log102);

C = 29.901,678776508 = ~30.000 bps.


Banda base x Banda larga• Banda base: neste tipo de transmissão toda a largura de

banda é usada por um único canal. ➔ Esta tecnologia é frequentemente usada para transmissão

digital. Por esta razão, a maioria das redes de computadores adota está técnica.

● Banda larga: Este modelo de transmissão é caracterizado pela divisão da largura de banda em múltiplos canais.

➔ Podendo cada canal transmitir diferentes sinais analógicos. Por esta razão, redes de banda larga podem transmitir múltiplos sinais simultaneamente.


Banda base x Banda larga


Multiplexação

● Sempre que a banda passante existente é maior que a necessária, usa-se a multiplexação.

● A multiplexação é uma operação que consiste em agrupar vários canais de informação não relacionados, de modo a transmiti-los simultaneamente em um mesmo meio físico (cabo, enlace de rádio, satélite, fibra óptica, etc) sem que haja mistura ou interferência entre os canais. A demultiplexação é a separação dos canais, recuperando a informação individual de cada canal;


Multiplexação por Divisão de Frequências (FDM)

● O equipamento que faz a multiplexação e demultiplexação, representado como Mux e De-Mux, é chamado de Multiplex. O multiplex FDM compartilha o meio de transmissão “somando” as frequências dos diversos canais de entrada.



● Para entender como funciona esse tipo de multiplexação, vamos imaginar que desejamos transmitir três canais de áudio telefônicos convencionais (300 a 3.400 Hz) através de uma linha telefônica comum.


● Uma aplicação típica da multiplexação FDM é o DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex), utilizado em sistemas de transmissão de dados baseados em cabos de fibra óptica.



Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (WDM)

● Este sistema tem o objetivo de fornecer uma infraestrutura de meios ópticos que permite a inserção de mais de um sistema de telecomunicações, seja ele para redes de dados e/ou voz, em uma única fibra óptica.



● A taxa de transmissão de cada canal pode variar de 2 Mbit/s (E1) até 10 Gbit/s (STM-64), dependendo da aplicação, sendo que a sua maior utilização ocorre nos sistema que necessitam taxas de transmissão acima 155 Mbits/s (maior que STM-1).

● Os primeiros equipamentos WDM desenvolvidos eram totalmente passivos, permitindo a comunicação de 2 sistemas através de uma única fibra, sendo que um sistema utilizava a 2ª janela de propagação, de comprimento de onda igual a 1310 nm, e o outro sistema utilizava a 3ª janela de propagação, de comprimento de onda 1550 nm.

● Tais equipamentos evoluíram, deixando de ser passivos, e as redes WDM passaram a utilizar misturadores mais complexos, “transponders” e filtros que permitiram colocar um número maior de comprimentos de onda por fibra, utilizando uma mesma janela de propagação. Com o desenvolvimento dos amplificadores ópticos, essas redes passaram a cobrir distâncias cada vez maiores.




Tipos de fibra ótica usadas nos sistemas WDM

● Atualmente existem vários tipos de fibras óticas, com características diversas. As duas características mais importantes a serem analisadas são:

➔ Atenuação: é a perda da intensidade luminosa ao longo da fibra, causada pelo próprio material da fibra e/ou por eventuais emendas, físicas ou mecânicas, existentes (medida em dB/Km);

➔ Dispersão: é o espalhamento da luz ao longo da fibra, causado pela existência de diferentes comprimentos de onda no feixe de luz (medido em ps/nm.Km).

● As fibras ópticas que vem sendo utilizadas nas redes WDM são:➔ Single Mode (SM - G.652 ITU-T);➔ Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T);➔ Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T);➔ Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T).



● Single Mode (SM - G.652 ITU-T): é o tipo de fibra mais comum encontrada no mercado. Possui algumas limitações quando usada em sistemas WDM com maior concentração de comprimentos de ondas, pois possui elevado fator dispersão cromática. Seu uso se adapta bem a sistemas WDM com grande capacidade de comprimentos de onda.



● Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T): é o tipo de fibra cuja dispersão é zero. Acreditava-se, em seu lançamento, que seria a fibra ideal para ser usada com sistemas WDM e SDH de alta capacidade. Porém, com a evolução desses sistemas e o consequente aumento da quantidade de comprimentos de onda (Lambdas), verificou-se que esta fibra possui limitações no tocante à dispersão cromática, o que diminuiu o seu uso.



● Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T): é tipo de fibra que foi concebida para corrigir a limitação da fibra tipo DS, e cuja dispersão para a janela de 1550 nm é muito baixa, porém não é zero (8 ps.nm/km). Para obter esta redução do fator de dispersão cromática, o núcleo da fibra foi alterado para ter menor diâmetro. Com o passar do tempo e utilização em sistemas reais, verificou-se que o fato de ter a área de seu núcleo reduzida, impede sua utilização em sistemas de grande quantidade de comprimentos de onda.





● Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T): é tipo de fibra onde os processos industriais de produção permitem a diminuição ou eliminação do efeito "pico d'água", permitindo que a faixa de 1400 nm seja utilizada para tráfego de sistemas ópticos. Isso otimiza o uso de equipamentos CWDM (descritos adiante), que atuam em toda a faixa, desde 1310nm até 1625nm, compreendendo as bandas O, E, C e L do espectro de luz.


Multiplexação Ótica ● É a característica mais importante a ser definida quando do planejamento

de um sistema WDM. De acordo com as necessidades da aplicação, identifica-se o qual tipo de sistema WDM a ser implantado definindo-se o espaçamento entre os canais ópticos, limitando assim a sua capacidade. Este espaçamento, que pode variar de 200 GHz a 12,5 GHz, é padronizado pelas normas G.694.1 (DWDM) e G.694.2 (CWDM) do ITU-T.

● Os tipos de sistemas WDM mais comuns são:

➔ CWDM;➔ DWDM;➔ UDWDM.


Multiplexação Ótica ● CWDM (Coarse Wave Division Multiplex): sistema cuja multiplexação

óptica possui espaçamento de 200 GHz e pode variar a quantidade de canais de 4 a 16 dependendo da fibra óptica adotada no projeto. Sua taxa de transmissão pode variar de E3 (34 Mbit/s) a STM-16 (2,5 Gbit/s). Possui um melhor desempenho com o uso da fibra óptica tipo LWP.


Multiplexação Ótica


Multiplexação Ótica ● DWDM (Dense Wave Division Multiplex): sistema cuja multiplexação

óptica possui espaçamento que varia de 100 GHz a 25 GHz, e pode variar a quantidade de canais de 16 a 128. Porém, foram realizados alguns testes que provaram ser possível a multiplexação de até 206 canais. Na maior parte dos equipamentos sua taxa de transmissão pode variar de STM-1 (155 Mbits/s) a STM-64 (10 Gbits/s). Possui um melhor desempenho com o uso a fibra óptica tipo SM.


Multiplexação Ótica ● UDWDM (Ultra Dense Wave Division Multiplex): sistema cuja

multiplexação ótica possui espaçamento menor que 25 GHz e possui uma quantidade de canais superior a 128. Este sistema atualmente ainda encontra-se em desenvolvimento.


Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM)

● Uma outra forma de compartilhar o meio de transmissão é a multiplexação por divisão no tempo, em que são alocados intervalos de tempo periódicos (slots) para cada canal. Os vários canais são transmitidos através de um sinal de maior taxa, conforme mostra a figura.


Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM)

● Muitas aplicações da multiplexação TDM foram implementadas em sistemas de telecomunicações. As mais conhecidas são os sistemas de transmissão com as tecnologias PDH e SDH.

● Para a multiplexação por divisão de tempo foi definida uma estruturada em níveis denominada hierarquia digital. Cada nível dessa hierarquia é representado por uma determinada taxa de bits que corresponde a uma quantidade de informações organizadas em canais multiplexados a serem transmitidos.

● A primeira hierarquia digital concebida foi a plesiócrona (PDH). O PDH opera com sinais assíncronos, através de uma arquitetura de canais (tributários) plesiócronos, ou seja, que possuem referências de frequência não sincronizadas entre si, apesar de serem nominalmente idênticas, dentro de limites pré-estabelecidos.


Hierarquia Digital Plesiócrona (PDH)

● A multiplexação por divisão de tempo para o PDH foi inicialmente organizada em uma arquitetura de canais que tem como unidade básica o canal de 64 kbit/s. Uma das primeiras estruturas definidas foi a hierarquia de 2048 kbit/s (ou 2 Mbit/s) com 30 canais de 64 kbit/s.

● Essa estrutura foi construída através de uma arquitetura multi-frames (multiquadro) de 16 frames, transmitidos a uma taxa de 8000 frames por segundo (8000 Hz). Cada conjunto desses constitui uma unidade para fins de controle e verificação da transmissão no sistema PDH.



● De cada canal serão retiradas 8000 amostras por segundo. A volta completa da chave toma então 1/8000 do segundo que equivale a 125 µs.

● Como cada ponto da chave corresponde a um time-slot, analogamente um quadro conterá 32 time-slots, cada um com duração de 125 µs/32. Assim, a chave abre um "espaço de tempo" ou time-slot para amostragem do canal durante 125 µs/32 = 3,9 µs.



● Outras hierarquias maiores foram definidas a partir desta, quais sejam: 8448 kbit/s (ou 8 Mbit/s), 34368 kbit/s (ou 34 Mbit/s), e 139264 kbit/s (ou 140 Mbit/s). Todas elas operam através de arquiteturas multi-frames semelhantes, transmitidas com a mesma taxa de 8000 frames por segundo.

● Cada hierarquia de nível superior é obtida a partir da multiplexação de hierarquias de nível inferior.



● A hierarquia PDH possui ainda outros padrões de organização de sua estrutura a partir dos canais de 64 kbit/s. A tabela a seguir apresenta os padrões utilizados na América do Norte e Europa. No Brasil foi adotado o padrão PDH Europeu, recomendado pelo ITU-T G.702 - Digital hierarchy bit rates.

HierarquiaDigital

América do Norte Europa

FormatoTaxa de

Bits (kbit/s)

Número de canais (kbit/s)

FormatoTaxa de

Bits (kbit/s)

Número de canais (kbit/s)

0 DS0 64 - E0 64 -

1 DS1 ou T1 1544 24 x 64 E1 2048 30 x 64

2 DS2 ou T2 6132 4 x 1544 E2 8448 4 x 2048

3 DS3 ou T3 32064 7 x 6132 E3 34368 4 x 8448

4 DS4 97728 6 x 32064 E4 139264 4 x 34368



● HIERARQUIA TDM – Sistemas de portadoras digitais – USA/Canadá/Japão➢ Um quadro (frame) DS-1 é formado por 24 canais de 8 bits, isto é, 192 bits

por quadro mais um bit de framing, totalizando 193 bits;➢ Para voz cada canal contém um palavra de dado digitalizados (PCM, 8000

samples por segundo);➢ Taxa de dados 8000x193 = 1.544Mbps.



● Hierarquia:

➢ 32 canais, 2,048 Mbps➢ 128 canais, 8,848 Mbps➢ 512 canais, 34,304 Mbps➢ 2048 canais, 139,264 Mbps➢ 8.192 canais, 565,148 Mbps

● Hierarquia do ITU-T - Europa➢ Frame E1 32 canais PCM:

➢ 32 x 8 x 8000➢ Taxa total 2,048 Mbps


Hierarquia Digital Síncrona (SDH)● Cada canal opera com um relógio sincronizado com os relógios dos outros

canais, e é sincronizado com o equipamento multiplex através de um processo de justificação de bit e encapsulamento (contêiner). A esse contêiner é adicionado um ponteiro, que indica sua localização no frame, e forma-se então um contêiner virtual (VC - Virtual Container) para cada canal.

● O SDH pode transportar também os diferentes tipos de sinais PDH, através do frame padronizado denominado STM-N (Syncronous Transport Module), utilizado tanto para sinais elétricos como para sinais ópticos.

● O frame SDH tem tamanho padrão para cada hierarquia. Cada frame constitui uma unidade para fins de administração e supervisão da transmissão no sistema. Como no PDH, eles são transmitidos a uma taxa de 8000 frames por segundo (8000 Hz).

● O frame SDH para a hierarquia STM-1, por exemplo, tem 2430 bytes, organizados em 9 linhas com 270 colunas de bytes, os quais são transmitidos serialmente linha a linha da esquerda para a direita, e de cima para baixo. Sua estrutura básica é apresentada na figura a seguir.


Hierarquia Digital Síncrona (SDH)


Canalização no SDH● Processo de multiplexação dos canais tributários no frame SDH:


● Todos os canais usam a mesma frequência, porém, para cada canal é dado um código único;

● Cada código deve ser suficientemente ortogonal para permitir os espaços de proteção adequada;

● Grande variedade de códigos fornece expansão significativa, segurança, etc;● Receptor e transmissor devem ser sincronizados para fornecer correta

decodificação;

Multiplexação por Divisão de Código (CDM)


● Esquema altamente complexo;● CDM não depende de propriedas físicas, como tempo ou frequência;

Multiplexação por Divisão de Código (CDM)

● Todos os sinais devem alcançar o receptor relativamente com igual força ou o receptor não será capaz de distinguir entre eles.

● Receptor tem de saber o código e ser capaz de separar o tráfego entre outros diferentes códigos que aparecem como ruído de fundo;

● CDM conta com uma idéia matemática interessante: valores de espaços vetoriais ortogonais podem ser combinados e separados sem interferência


METRO ETHERNET ou ETHERNET METROPOLITANO

Com a evolução da tecnologia Ethernet para velocidades maiores e alcances maiores (dezenas de Km) essa tecnologia começa a sair do âmbito local para atender projetos urbanos. Essas redes são formadas pela simples conexão de switches (nível 3) com cabos de fibras óticas.

Switches Layer 3 formando VLANs

Anéis Ópticos metropolitanos

Acessos•Acesso óptico para links 10Mbps, 100Mbps, 1Gpbs, etc

•Opção de acesso metálico para velocidades menores, de acordo com a tecnologia dos modens

Switches Layer 3 formando VLANs

Anéis Ópticos metropolitanos

Acessos•Acesso óptico para links 10Mbps, 100Mbps, 1Gpbs, etc

•Opção de acesso metálico para velocidades menores, de acordo com a tecnologia dos modens

Implementação de VLANs (Virtual LANs de nível 3) para separação do tráfego nessa rede


Por que Metro Ethernet?Metro Ethernet é um modo de utilizar redes Ethernet em áreas Metropolitanas e geograficamente distribuídas.Esse conceito surgiu, pois, de acordo com alguns estudos, o tráfego de dados estaria superando o tráfego de voz nas redes metropolitanas, portanto seria mais interessante utilizar uma infraestrutura de transmissão de dados do que uma TDM (Time Division Multiplexing), criada para a transmissão de voz.

Ethernet é uma escolha lógica, devido ao seu baixo custo, flexibilidade e facilidade de manutenção e operação.

As principais vantagens de uma rede Metro Ethernet são:

- Redução do custo operacional e de planejamento da rede;- Equipamentos de menor custo;- Melhor granularidade e facilidade de aumento de banda;- Transmissão baseada em pacotes, o que permite um uso otimizado dos recursos da rede;- Interoperabilidade com as redes LAN; permite a interconexão direta com as redes LAN, sem a necessidade de protocolos de adaptação, uma vez que praticamente a totalidade das redes LAN é baseada em Ethernet.


Modelo básico Metro Ethernet● O equipamento do cliente, conhecido como CE (Customer

Equipment), faz a conexão com UNI. Ele pode ser um roteador ou um equipamento (switch) que suporta IEEE 802.1Q;

● A interface UNI (User Network Interface) suporta o padrão IEEE 802.3 Ethernet (camadas física e MAC) e velocidades de 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps ou 10 Gbps;

● A rede metropolitana Metro Ethernet Network (MEN) pode usar diferentes tecnologias de transporte, como SONET/SDH, WDM, MPLS, FRAME RELAY, RPR, MAC-in-MAC, Q-in-Q, etc.


Serviços Metro Ethernet● O EVC (Circuito Virtual Ethernet) é a associação de duas ou

mais UNIs. Características:➔ Ajudam a visualizar as conexões Ethernet;➔ São equivalentes aos PVCs FR ou ATM.

● A norma definiu dois tipos de EVCs:➔ Ponto-a-ponto;➔ Multiponto.


Serviços Metro Ethernet

● Serviço Ethernet Line (E-Line), que provê conexão ponto a ponto é usado para criar:

➔ Serviço de linhas privadas;➔ Acesso à Internet;➔ VPNs ponto-a-ponto.● Serviço Ethernet LAN (E-LAN),

que provê conectividade multiponto e é usado para criar:

➔ VPNs multiponto;➔ Serviço "Lan transparent".

● Baseados nos blocos (EVCs e UNIs), o Forum definiu dois tipos básicos de serviço:



Ethernet Virtual Private Line

● Suporta multiplexação de serviços na mesma UNI (mais de um serviço por UNI);

● VPN ponto a ponto para interconexão de sites.



Ethernet Private Line

● Conexões ponto a ponto através de UNIs dedicadas.



● Conectivdade "intra-company";● Transparência completa dos

protocolos de controle;● Novas VLANs podem ser

adicionadas nas redes clientes sem intervenção do provedor.

Serviço de LAN transparente


Modelo de referência de uma MENA camada de serviços Ethernet (ETH):

É responsável pelos serviços do MAC (controle de acesso ao meio) e pela entrega dos quadros nas interfaces e nos pontos associados. O quadro apresentado nas interfaces da camada ETH pode ser um quadro Unicast, Multicast ou Broadcast, de acordo com o padrão IEEE 802.3.

A camada de serviços de transporte (TRAN):

Oferece suporte para conectividade entre os elementos da camada ETH independentemente dos serviços. Várias redes podem ser utilizadas para suportar os requisitos de transporte para a camada ETH, como por exemplo: IEEE 802.3 PHY, SONET/SDH, ATM VC, PDH, MPLS LSP, etc.

A camada de serviços de aplicação (APP):

Vários serviços de aplicação podem ser suportados, como exemplo, o uso da camada ETH como camada TRAN para outras redes como IP, MPLS, PDH, etc.


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